اجزای توربین بادی

2020/11/14

اجزای توربین بادی

اجزای توربین بادی در فناوری ها و برند های تجاری مختلف ان تقریبا یکسان است که در ادامه به شرح ان پرداخته می شود. توربین بادی وسیله ای است که انرژی جنبشی موجود در باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. فرآیند تبدیل انرژی عبارت است از تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی جنبشی مجموعه روتور و سپس تبدیل ان به انرژی الکتریکی در ژنراتور است. امروزه بیشترین توربین های بادی، توربین هایی با محور افقی می باشند که در این قسمت اجزا این توربین ها معرفی می شوند. منظور از عبارت “محور افقی” این است که محور اصلی توربین بادی که نیرو محرکه را تولید می کند افقی است. روتور های(rotor) توربین های بادی با محور افقی بر اساس نحوه قرار گیری در جهت باد (رو به باد (upwind) و یا پشت به باد(downwind))، طراحی هاب(hub)، کنترل دور روتور (استال و یا گام(pitch))، تعداد پره ها(blade)(معمولا دو یا سه و حتی پنج پره) و نحوه کنترل جهت توربین با باد، سیستم یاو(yaw) دسته بندی می شوند.

اجزای توربین بادی

چالشی ترین قسمت در یک توربین بادی پره می باشد، در واقع پره ها اجسام آیرودینامیکی هستند که وظیفه اصلی استحصال انرژی از جریان باد را به عهده دارند. پره ها به یک عضو مرکزی به نام “هاب” متصل می شوند و هاب حرکت دورانی را به محور (شفت)اصلی منتقل میکند. در توربین های جعبه دنده دار (gearbox) محور اصلی به یک جعبه دنده افزاینده مرتبط می شود که جعبه دنده سرعت دورانی را به سرعت مورد نیاز ژنراتور افزایش می دهد(ولی در سیستم های بدون جعبه دنده (direct drive) محور اصلی مستقیما به ژنراتور متصل می شود). پس از جعبه دنده در خط انتقال قدرت یک ترمز دیسکی قرار میگیرد. پس از آن، ژنراتور توربین در انتهای خط انتقال قدرت قرار می گیرد. در این خط انتقال قدرت بعضا اجزای فرعی چون کلاچ نیز استفاده می گردد.

توربین های بادی ساخته شده توسط شرکت های گوناگون در اجزای زیر مشترک می باشند:

روتور توربین بادی

روتور توربین باد شامل پره، هاب، دماغه و یاتاقان های پره می باشد. روتور یک توربین بادی محور افقی بطور خلاصه متشکل از تعدادی پره می باشد که بطور شعاعی در اطراف یک شفت که موازی باد قرار می گیرد نصب شده اند و بدین ترتیب روتوری را تشکیل می دهند که عمود بر جهت باد دوران می کند. روتور ها انرژی جنبشی باد را دریافت کرده و آن را تبدیل به نیروی مکانیکی محور می کند.

پره ها (blades) : یکی از مهمترین بخش های توربین بادی بوده و وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن شفت اصلی توربین باد است. پره ها تعیین کننده ترین عامل اصلی مقدار انرژی جذب شده از باد و همچنین بار وارده بر توربین هستند. پره ها به گونه ای ساخته می شود که استحکام و استقامت بسیار بالا در برابر نیروهای دینامیکی و آیرودینامیکی داشته باشد. پیشرفت های اخیر در زمینه تحلیل سازه موجب سبک تر شدن پره ها شده است. ساختن پره که از مواد کامپوزیتی به خصوص اپوکسی و فایبرگلس یا الیاف کربن ساخته می شود کماکان طولانی ترین فرآیند در ساخت توربین بادی است. بزرگ ترین کارخانه ساخت پره توربین شرکت LM در امریکا است.

اجزای توربین بادی – پره ها

هاب (Hub) : هاب یا توپی توربین بادی کار اتصال پره های توربین بادی را به محور اصلی به عهده دارد. از لحاظ بار گذاری مکانیکی هیچ یک از قطعات توربین به اندازه هاب تحت تاثیر بارگذاری های متعدد و پیچیده نمی باشند. در داخل هاب سیستم گام یا پیتچ قرار دارد که با تغییر زاویه پره مقدار نیروی وارده به روتور را کاهش یا افزایش می دهد. در سرعت های باد بالا با افزایش زاویه پره ها می توان توان روتور را در یک مقدار نامی توربین، ثابت نگه دارد.

اجزای توربین بادی- هاب به همراه پوشش و دماغه

پوشش هاب (hub cover)
دماغه (nose cone)

دماغه توربین بادی سازه ای مخروطی است که برای اصلاح جریان باد و کاهش مقاومت باد در نوک روتور طراحی می شود و معمولا برای کاهش وزن از کامپوزیت ساخته می شود. اتصال پره توربین به هاب دارای طرح های مختلفی می باشد :

طرح حلقه(Hutter)
طرح فلنج فولادی
طرح پیچ صلیبی(cross bolt)
طرح فلنج (bonded in flange) و غلاف پیوندی (bonded in sleeve)

اجزای توربین بادی- دماغه توربین بادی

ناسل(nacelle)/موتور خانه یا گهواره

شامل پوشش خارجی مجموعه توربین، شاسی و سیستم دوران حول محور برج می باشد که روتور به آن متصل است. ناسل در بالای برج قرار دارد. بعضی از ناسل ها آنقدر بزرگند که تکنسین ها می توانند داخل آن بایستند.

اجزای توربین بادی – ناسل در حال حمل به محل نصب

شافت(shaft)

شافت توربین بادی گشتاور روتور را به جعبه دنده و در حالت محرک مستقیم به ژنراتور متصل می کند.

اجزای توربین بادی – شافت اصلی توربین بادی

سیستم انتقال قدرت/جعبه دنده (gearbox): سیستم انتقال قدرت شامل اجزاء گرداننده توربین باد است. این اجزاء عمدتاً شامل محور کم سرعت (سمت روتور)، جعبه دنده (gearbox) و محور سرعت بالا (در سمت ژنراتور) می باشد. سایر اجزاء این سیستم شامل یاتاقان ها، یک یا چند کوپلینگ، ترمز مکانیکی و اجزاء دوار ژنراتور می باشد. در این مجموعه وظیفه جعبه دنده افزایش سرعت نامی روتور از یک مقدار کم (در حد چند ده دور در دقیقه) به یک مقدار بالا (در حد چند هزار دور در دقیقه) که مناسب برای تحریک یک ژنراتور استاندارد است، می‌باشد. عمدتاً دو نوع گیربکس در توربین‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، گیربکس‌های با شفت‌های موازی و گیربکس‌های سیاره‌ای. برای توربین‌های سایز متوسط به بالا (بزرگتر از KW ۵٠٠) مزیت وزن و اندازه در گیربکس‌های سیاره‌ای نسبت به نوع دیگر یعنی گیربکس‌های با شفت موازی کاملاً بارزتر است. بعضی از توربین‌های بادی (محرک مستقیم) از یک طرح خاص برای ژنراتور استفاده می کند (ژنراتور با تعداد قطب بالا) که در آن نیازی به استفاده از گیربکس نمی‌باشد. برای اطلاعات بیشتر در مورد ژنراتور های محرک مستقیم مقاله آینده توربین بادی را مطالعه کنید.

ژنراتور: ژنراتور هایی که در توربین بادی به کار گرفته می شوند بر خلاف دیگر ژنراتور هایی که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند می بایست توانایی کارکرد را تحت شرایط نوسانی توان که از ماهیت نوسانی سرعت باد ناشی می شود داشته باشند. در توربین های کوچک از ژنراتور های جریان مستقیم (DC) با ظرفیت محدود چند وات تا چندین کیلو وات استفاده می شود و در سیستم های بزرگتر از ژنراتور های جریان متناوب (AC) تک فاز و یا سه فاز استفاده می شود. ژنراتور های متناوب خود می توانند به دو صورت باشند:
ژنراتور های القایی (آسنکرون)
ژنراتور های سنکرون

اجزای توربین بادی- ژنراتور القایی

اجزای توربین بادی- ژنراتور سنکرون شرکت انرکون

سیستم جهت دهی (yaw system)

سیستم جهت دهی وظیفه دارد همواره توربین را در جهت وزش باد برای بدست آوردن حداکثر راندمان از یک توربین بادی سمت دهی کند که باید بتوان همواره صفحه روتور توربین را عمود بر جهت وزش باد قرار دهد. این سیستم از لحاظ عملکرد کمترین ارتباط را با مجموعه سیستم های داخل ناسل دارد و می توان آن را یک سیستم با عملکرد مستقل حساب کرد. این سیستم به دو صورت است، سیستم یاو آزاد (passive yaw) که به صورت دم در انتهای ناسل نصب می گردد(فقط در توربین های کوچک) و یا سیستم یاو فعال (active yaw) که محل اتصال ناصل با برج است و وظیفه اتصال ناسل به برج را به عهده دارد. سیستم یاو برای اندازه گیری جهت باد از باد نما استفاده می کند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد جهت باد و تاثیر ان در توان خروجی، مقاله جهت باد را مطالعه کنید. به علت سنگینی توربین های بادی بزرگ از چند موتور الکتریکی برای چرخاندن توربین استفاده می شود.

اجزای توربین بادی- سیستم یاو

سیستم هیدرولیک

سیستم های هیدرولیک به مجموعه جک و یونیت هیدرولیکی و اتصالات جانبی آنها اطلاق می شود. جک هیدرولیکی از یک سیلندر و پیستون دو طرفه تشکیل شده است و با انتقال سیال به هر ناحیه از آن، جک به سمت مخالف حرکت می کند. یونیت هیدرولیکی از الکتروموتور، پمپ، مخزن تامین فشار اولیه، شیرهای هیدرولیکی، شیلنگ های انتقال سیال به دو ناحیه داخل سیلندر جک، مخزن روغن، روغن مخصوص و تجهیزات جانبی تشکیل شده است. پس از دریافت فرمان، پمپ مقداری روغن را از داخل مخزن به محفظه جلو یا عقب سیلندر جک پمپ می کند تا جک بتواند به مقدار مورد نیاز محور تراورس را در جهت مورد نیاز حرکت دهد. محور تراورس محوری است که از سوراخ داخل شفت اصلی عبور می کند و یک سمت آن با جک هیدرولیکی و طرف دیگر آن با مکانیزم مثلثی واقع درون هاب مرتبط است. وظیفه این محور انتقال حرکت جک هیدرولیکی و در واقع فرمان کنترلر به مکانیزم مثلثی است که باعث چرخش پره ها (مکانیزم گام یا پیتچ) می گردد. مکانیزم مثلثی درون هاب باعث تبدیل حرکت انتقالی محور تراورس به حرکت چرخشی و در نتیجه چرخش پره ها به دور محورشان می گردد.

سیستم های اکتریکی

علاوه بر ژنراتور ها در توربین های بادی از دیگر اجزا الکتریکی نیز استفاده می شود .این اجزا شامل موارد زیر می باشند:

کابل ها
کلید ها
ترانسفورماتورها
خازن ها
موتورهای سیستم جهت دهی(yaw system) و گام

باد سنج (Anemometer)

این وسیله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آن را به کنترل‌کننده‌ها انتقال می‌دهد.

باد نما (Wind vane)

وسیله‌ای است که جهت وزش باد را اندازه‌گیری می‌کند و کمک می‌کند تا جهت توربین نسبت به باد در وضعیت مناسبی قرار داشته باشد.

اجزای توربین بادی – باد سنج و باد نمای توربین بادی

برج توربین(tower)

برج در توربین های محور افقی از عوامل تعیین کننده در تکنولوژی توربین است که ممکن است تا ۲۰ درصد هزینه ساخت توربین را به خود اختصاص دهد. با افزایش ارتفاع برج هزینه های ساخت، حمل و نقل و نصب توربین افزایش می یابد در حالی که موجب افزایش بازده توربین نیز می شود. تلاقی منحنی های هزینه و بازده، مشخص کننده ی ارتفاع بهینه برج است. توربین های بادی علاوه بر بار های ناشی از وزن تجهیزات، در معرض نیرو های ناشی از باد نیز می باشند که این نیرو ها بسیار متغیر بوده و به همین سبب مشکلات بار های دینامیکی و خستگی مصالح را موجب می شوند. در طراحی برج بدترین شرایط بارگذاری باید مد نظر قرار گیرد، همچنین خستگی سازه برای عمر بین ۲۰ تا ۳۰ سال می بایست در طراحی لحاظ گردد. برج های متداول امروزی شامل برج های استوانه ای، خرپایی، مهاری می باشند ارتفاع برج معمولاً بین یک تا یک و نیم برابر قطر روتور در نظر گرفته می شود. انتخاب نوع برج وابستگی به شرایط سایت دارد. همچنین استحکام برج فاکتور مهمی در دینامیک سازه توربین باد محسوب می گردد چرا که احتمال کوپل شدن ارتعاشات بین برج و روتور که منجر به خطر رزونانس می گردد وجود دارد. برای حمل راحت برج ان را به صورت چند تکه طراحی کرده اند و هر قسمت به دیگری به وسیله پیچ و مهره متصل می شود. اندازه گشتاور هر پیچ به صورت استاندارد تعیین و اعمال می شود.

اجزای توربین بادی – پیچ و سیستم اعمال گشتاور هیدرولیکی برای مقطع برج

فوندانسیون

اولین و مهم ترین عاملی که در طراحی فوندانسیون مورد توجه قرار می گیرد نیروی وارده بر توربین در بالاتری سرعت ممکن باد است، دومین عامل موثر پارامتر های طراحی نیروهای توربین در هنگام کار توربین است. نیرو هایی مانند ممان خمشی توربین، مکانیزم یاو و کنترل گام از جمله این نیرو ها است. بر اساس نیرو های ذکر شده، فوندانسیون به گونه ای طراحی می شود که تحمل بارهای وارده به ستون برج در بدترین شرایط را داشته باشد.

اتصال برج به فوندانسیون از طریق قطعه ای به نام امبدد(embeded) انجام می شود که این بخش در هنگام پی ریزی به فونداسیون متصل می گردد و برج از طریق فلنج به یاتاقان یاو و ناسل متصل می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فونداسیون مقاله نصب توربین بادی را مطالعه بفرمایید.